KR101573862B1 - 일산화탄소 저감형 하이브리드 착화탄 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소를 돕기 위한 연소촉진제를 숯 원료에 코팅시켜 원료자체의 발화성 및 발열량을 높여 완전 연소를 돕고 일산화탄소의 배출량을 저감시킬 수 있도록 한 일산화탄소 저감형 하이브리드 착화탄 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 일산화탄소 저감형 하이브리드 착화탄 제조방법은, 리그닌 분말에 글리세린을 함침시켜 연소촉진제를 제조하는 제1단계; 분말 숯에 글리세린을 함침시켜 숯 원료를 제조하는 제2단계; 상기 숯 원료와 연소촉진제와 점결제 및 물을 설정된 비율로 혼합하는 제3단계; 상기 혼합물을 성형기에 투입하여 일정한 형태로 성형하는 제4단계와; 상기 제4단계를 통해 성형된 착화탄에 착화제를 도포하고 건조하는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

일산화탄소 저감형 하이브리드 착화탄 및 그 제조방법{Hybrid Charcoal for Carbon Monoxide Reduction and Method for Manufacturing the Same}

본 발명은 목재로 된 착화탄과 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 목재로 된 착화탄의 친수성 기공표면을 탄화된 리그닌으로 코팅하여 소수성으로 개질함으로써 목탄 자체의 착화성 및 발열량을 높이고, 착화탄 연소시 발생하는 일산화탄소의 발생량을 감소시킬 수 있는 일산화탄소 저감형 하이브리드 착화탄 및 그 제조방법에 관한 것이다.

자살방법으로서 주변에서 쉽게 구할 수 있는 착화탄을 이용한 모방자살이 증가함에 따라 자살을 막기위한 다양한 연구들이 시도되어지고 있다. 자살방지전략에는 크게 두가지로 나누어지는데, 인지적 접근차단법과 물리적 접근차단법으로 나누어진다. 이 중에서 인지적 접근차단법은 그 효과가 직접적이지 않은 단점이 있는데, 물리적 접근차단법은 사망에 이르게 하는 원인을 억제함으로써 자살을 시도하고자 하는 당사자의 판단과 상관없이 그 방지 효과가 직접적이라는 장점이 있다.

착화탄은 원료인 목탄과 착화를 돕기 위한 조연제를 섞어 틀에서 찍어 내는 방식으로 만들어진다.

한편 종래의 착화탄에 대한 연구는 연소과정 중 인체 유해물질인 납, 카드뮴, 바륨 등이 배출되는 것을 막기 위한 연구와 무연, 무취의 착화탄을 제조하기 위한 연구가 대부분이었다.

현재 임산물협회의 표준에 의거하여 연소가스에서 바륨, 수은, 납, 비소 등의 중금속 등 10가지의 성분에 한해 규제가 이루어지고 있으며, 연소 가스에 의한 질식사를 막기 위한 규제는 전무한 실정이다.

또한 착화탄의 소비량이 늘어남에 따라 국내 시장에 규정에 미달되는 각종 불량품과 수입품이 유통되어 소비자들의 안전을 위협하고 있으며, 일부 제품에서는 현재 규제중인 유해성분이 다량 검출되고 있다. 이는 착화탄이 저가의 연료임에 따라 폐가구, 폐목재를 사용하는 원료의 특성상, 목재표면의 페인트나 접착제 같은 물질이 연소시 다량의 화학물질을 발생시키기 때문이다.

이러한 유해가스 발생의 문제를 해결하기 위하여 바이오매스를 이용한 착화탄에 대한 특허(등록특허 제10-0779421호)가 등록되어 있으나, 상기 등록특허의 착화탄은 제조 과정이 복잡하고, 제조시간이 많이 소요되며, 설비 및 원재료 투여가 많이 요구되어 제조단가를 높일 것으로 예상되며, 안정적인 공급도 불분명한 것으로 예측된다. 따라서 현재 착화탄의 가격을 유지하면서 지속적인 제조를 진행하는데에 문제가 있다.

대한민국 등록특허 제0779421호(등록일자 2007년11월20일) "목질계 바이오매스를 이용한 고형 탄화연료의 제조방법"

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 착화탄 연소시 발생하는 일산화탄소의 발생량을 억제하기 위해 연소를 돕기 위한 연소촉진제를 숯 원료에 코팅시켜 원료자체의 발화성 및 발열량을 높여 완전 연소를 돕고 일산화탄소의 배출량을 저감시킬 수 있으며, 저렴한 가격으로 제조할 수 있는 일산화탄소 저감형 하이브리드 착화탄 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 일산화탄소 저감형 하이브리드 착화탄은, 숯 원료를 일정한 형태로 성형하여 만들어지되, 상기 숯 원료는 분말 숯에 글리세린이 함침되어 만들어지며, 상기 숯 원료의 표면에는 리그닌(lignin) 분말에 글리세린이 함침되어 만들어진 연소촉진제 및 점결제가 코팅된 것을 특징으로 한다.

상기 연소촉진제는 숯 원료와 연소촉진제와 점결제의 총중량의 20중량%인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 일산화탄소 저감형 하이브리드 착화탄 제조방법은, 리그닌 분말에 글리세린을 함침시켜 연소촉진제를 제조하는 제1단계; 분말 숯에 글리세린을 함침시켜 숯 원료를 제조하는 제2단계; 상기 숯 원료와 연소촉진제와 점결제 및 물을 설정된 비율로 혼합하는 제3단계; 상기 혼합물을 성형기에 투입하여 일정한 형태로 성형하는 제4단계와; 상기 제4단계를 통해 성형된 착화탄에 착화제를 도포하고 건조하는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 리그닌 분말에 글리세린이 함침된 연소촉진제가 숯 원료의 표면에 코팅되어 성형되므로 착화탄의 연소시 연소촉진제에 의해 연소 성능이 증대됨과 동시에, 일산화탄소(CO) 발생량도 대폭 저감시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 일산화탄소 저감형 하이브리드 착화탄을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 일산화탄소 저감형 하이브리드 착화탄의제조방법을 설명하는 순서도이다.
도 3은 본 발명에 따른 일산화탄소 저감형 하이브리드 착화탄의 연소 실험에서 발생하는 일산화탄소(CO)의 발생량을 나타낸 것으로, 연소촉진제의 글리세린 함침량을 변화시켜 가며 연소 실험한 결과를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 일산화탄소 저감형 하이브리드 착화탄의 연소 실험시 착화탄의 중량(weight) 변화를 나타낸 그래프로, 연소촉진제의 혼합량을 변화시켜 가며 연소 실험한 결과를 비교하여 나타낸 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 일산화탄소 저감형 하이브리드 착화탄 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

먼저 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 착화탄은 숯 원료를 일정한 형태로 성형하여 만들어지되, 상기 숯 원료는 글리세린이 함침된 분말 숯(1)의 표면에 리그닌(lignin) 분말에 글리세린이 함침된 연소촉진제(3)가 혼합되어 코팅된 구조를 갖는다.

이와 같은 본 발명의 착화탄은 리그닌 분말로 인하여 글리세린의 증발을 최소화할 수 있으며, 오랜 시간이 경과하여도 글리세린의 양이 그대로 유지되므로 연소시 글리세린에 의한 연소촉진 효과를 증대시킬 수 있으며, 일산화탄소를 저감시킬 수 있는 이점을 제공한다.

이와 같은 일산화탄소 저감형 하이브리드 착화탄을 제조하는 방법은 다음과 같이 이루어진다.

본 발명에 따른 일산화탄소 저감형 하이브리드 착화탄의 제조 방법은, 리그닌 분말에 글리세린을 함침시켜 연소촉진제를 제조하는 제1단계; 분말 숯에 글리세린을 함침시켜 숯 원료를 제조하는 제2단계; 상기 숯 원료와 연소촉진제와 공지의 점결제 및 물을 설정된 비율로 혼합하는 제3단계; 상기 혼합물을 성형기에 투입하여 일정한 형태로 성형하는 제4단계와; 상기 제4단계를 통해 성형된 착화탄에 착화제를 도포하고 건조하는 제5단계를 포함한다.

상기 제1단계에서는 리그닌 분말에 글리세린을 함침시켜 연소촉진제를 제조한다. 상기 제1단계에서 리그닌 분말은 100 ~ 200 메시(mesh) 입경을 가지며, 승온율 20°C/min 이상으로 360 ~ 430℃에서 20분간 열처리된 것을 사용한다. 상기 리그닌 분말을 360 ~ 430℃에서 열처리하게 되면, 리그닌 내부의 황성분을 없애는 효과가 있으며, 리그닌 표면의 비표면적을 0.2㎡/g 에서 0.6㎡/g 로 높여 연소시 반응성을 향상시킬 수 있음과 동시에, 글리세린과 함침시 짧은 시간에 많은 양의 글리세린을 함침시키고 글리세린의 증발을 막을 수 있는 효과가 있다.

이 제1단계에서는 리그닌 분말 총중량에 대해 글리세린이 18~23중량%가 포함되며, 50~70℃의 미온수가 글리세린의 중량에 대하여 5~10중량%로 혼합되어 리그닌 분말에 글리세린이 함침된다. 이 때, 상기 리그닌 분말과 글리세린의 함침은 90~105℃의 온도에서 설정된 시간동안 건류하여서 이루어진다. 열중량 분석기(TGA) 및 비표면적 측정기(BET)를 이용한 분석결과 함침 온도가 90℃ 보다 낮을 경우 글리세린이 리그닌 기공 내부로 충분히 흡수되지 않으며, 105℃보다 높을 경우에는 글리세린의 열분해가 시작되므로 90~105℃의 온도 영역 내에서 함침할 경우 가장 높은 효율을 얻을 수 있는 것으로 확인되었다.

도 3의 그래프에 도시된 것과 같이 연소촉진체의 리그닌 분말에 함침되는 글리세린의 양이 증가할수록 일산화탄소 발생량은 저감되는 것을 볼 수 있는데, 리그닌 분말에 글리세린이 23%를 초과하여 함침되면, 착화탄의 연소과정 중 일산화탄소의 감소율에서 차이가 발생하지 않고 오히려 연소에 방해가 되는 결과를 보였다. 따라서 그리닌 분말에 함침되는 글리세린의 양은 리그닌 분말 총중량에 대해 23중량% 이하로 제한되는 것이 바람직하다.

상기와 같이 리그닌 분말에 글리세린이 함침되어 만들어진 연소촉진제는 점결제의 역할을 하여 점결제의 사용량을 줄일 수 있으며, 연소 시 글리세린이 분해되며 발생한 산소기가 완전연소를 도와 CO + 1/2 O₂ = CO₂ 반응을 통해 혈액의 헤모글로빈과 직접 결합하는 일산화탄소를 줄여 중독에 의한 질식사를 막을 수 있는 효과를 제공하게 된다. 또한 점결제의 사용량을 줄일 수 있으므로 점결제가 연소하면서 발생하는 불필요한 그을음과 유해 가스를 상당량 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

상기 제2단계에서는 숯을 일정 크기로 분쇄하여 만들어진 분말 숯에 글리세린을 함침시켜 숯 원료를 만든다. 상기 분말 숯의 입경이 작을수록 점결제의 사용량은 감소하고, 숯의 임경이 클수록 점결제의 사용량은 증가하는 것이 바람직하다.

상기 분말 숯의 3~8메시(mesh) 크기의 입경을 가질 경우, 상기 제3단계에서 혼합되는 혼합물은 물을 제외한 혼합물 총중량에 대하여 숯 원료 60~70중량%, 연소촉진제 20중량%, 및 잔여분(10~20중량%)의 점결제를 포함하여 구성됨이 바람직하다.

그리고, 상기 제2단계에서 사용되는 분말 숯의 입경이 8~20메시 크기의 입경을 가질 경우에는 상기 제3단계에서 혼합되는 혼합물은 물을 제외한 혼합물 총중량에 대하여 숯 원료 70~80중량%, 연소촉진제 20중량%, 및 잔여분(0~10중량%)의 점결제를 포함하여 구성됨이 바람직하다.

또한 상기 제2단계에서 분말 숯에 글리세린을 함침시킬 때, 성형시 강도 및 점결제의 사용량의 한정을 위해 여러가지 크기의 분말 숯을 혼합하여 사용할 수 있는데, 예를 들어 3~8메시로 분쇄한 분말 숯을 15~20중량%, 8~20메시로 분쇄한 분말 숯을 25~30중량%, 20메시 이상으로 분쇄한 분말 숯을 40~60중량%를 혼합하여 사용할 수 있다.

상기와 같이 분말 숯에 글리세린을 함침시킬 때, 분말 숯은 이미 표면의 기공이 충분히 발달되어 있어서 분말 숯에 대한 추가적인 열처리를 할 필요없이 분말 숯과 글리세린을 90~105℃ 의 온도에서 설정된 시간(바람직하기로 4~7 시간) 동안 건류하여 분말 숯에 글리세린을 함침시킨다. 이 때, 분말 숯의 총중량에 대해 글리세린이 16~21중량%가 혼합되며, 50~70℃의 미온수가 글리세린의 중량에 대하여 5~10중량% 로 혼합되어 교반됨으로써 함침이 진행된다.

상기 제3단계에서 숯 원료와 연소촉진제와 공지의 점결제 및 물을 교반하여 혼합할 때, 점결제와 숯 원료의 원활한 결합을 위해 점결제의 용융 온도 부근인 150~250℃의 온도에서 열처리를 수행하며 교반을 하는 것이 바람직하다. 그리고 성형체의 강도 및 연소 시의 분화를 억제하기 위해 수분이 전체 중량의 5~7중량% 만큼 감소되면, 성형기에 투입하여 성형 공정(제4단계)을 수행한다.

상기 성형기에서 성형된 착화탄은 높이 50~60㎜의 원기둥형 또는 각기둥형에 직경 10~20㎜의 중공부가 형성된 형태가 바람직하지만 이에 한정하지는 않는다. 규정에 따라 연소시간은 45분 이상이 지속되어야 하기 때문에, 한 개의 착화탄의 중량은 90~120g인 것이 바람직하다.

상기와 같이 착화탄이 성형되면, 상기 제5단계에서 착화탄의 수분이 총중량에 대해 5중량% 이하가 될 때까지 80~150℃의 온도에서 1차 열풍 건조를 수행한 다음, 착화제를 착화탄의 겉표면에 도포하고 10~15℃의 온도에서 냉풍 건조하여 착화제를 착화탄에 흡착시킨다. 상기 착화제로는 질산칼륨, 칼슘니트레이트, 질산스트론튬, 덱스트린 등을 사용할 수 있다.

이와 같은 본 발명의 착화탄은 숯 원료의 표면에 연소촉진제(글리세린 함침 리니근 분말)가 코팅됨으로써 연소 효율이 향상되는 특성을 갖는데, 도 4에 도시된 연소 성능 그래프에서 확인할 수 있는 것과 같이 숯 원료와 연소촉진제 및 점결제의 혼합물(제3단계에서 혼합되는 혼합물) 중 연소촉진제의 혼합비가 20중량%일 때 400~600℃ 온도에서 연소성(weight loss)이 가장 우수한 것으로 나타났다.

전술한 것과 같이 본 발명에 따르면, 리그닌 분말에 글리세린이 함침된 연소촉진제가 숯 원료의 표면에 코팅되어 성형되므로 착화탄의 연소시 연소촉진제에 의해 연소 성능이 증대됨과 동시에, 일산화탄소(CO) 발생량도 대폭 저감시킬 수 있는 효과가 있음이 확인되었다(도 3의 그래프 참조).

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

1 : 분말 숯 2 : 글리세린
3 : 연소촉진제

Claims (13)

1. 숯 원료를 일정한 형태로 성형하여 만들어지되, 상기 숯 원료는 분말 숯에 글리세린이 함침되어 만들어지며, 상기 숯 원료의 표면에는 리그닌(lignin) 분말에 글리세린이 함침되어 만들어진 연소촉진제 및 점결제가 코팅된 것을 특징으로 하는 일산화탄소 저감형 하이브리드 착화탄.
2. 제1항에 있어서, 상기 연소촉진제는 숯 원료와 연소촉진제와 점결제의 총중량의 20중량%인 것을 특징으로 하는 일산화탄소 저감형 하이브리드 착화탄.
3. 제1항 또는 제2항에 따른 일산화탄소 저감형 하이브리드 착화탄을 제조하는 방법으로서,
   리그닌 분말에 글리세린을 함침시켜 연소촉진제를 제조하는 제1단계;
   분말 숯에 글리세린을 함침시켜 숯 원료를 제조하는 제2단계;
   상기 숯 원료와 연소촉진제와 점결제 및 물을 설정된 비율로 혼합하는 제3단계;
   상기 혼합물을 성형기에 투입하여 일정한 형태로 성형하는 제4단계와;
   상기 제4단계를 통해 성형된 착화탄에 질산칼륨과 칼슘니트레이트와 질산스트론튬과 덱스트린 중 어느 하나로 된 착화제를 도포하고 건조하는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 저감형 하이브리드 착화탄의 제조방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 제1단계에서 사용되는 리그닌 분말은 100 ~ 200 메시(mesh) 입경을 가지며, 승온율 20°C/min 이상으로 360 ~ 430℃에서 20분간 열처리된 것을 특징으로 하는 일산화탄소 저감형 하이브리드 착화탄의 제조방법.
5. 제3항에 있어서, 상기 제1단계에서 리그닌 분말과 글리세린의 함침시 리그닌 분말 총중량에 대해 글리세린이 18~23중량%가 포함되며, 50~70℃의 미온수가 글리세린의 중량에 대하여 5~10중량%로 혼합되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 저감형 하이브리드 착화탄의 제조방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 리그닌 분말과 글리세린의 함침은 90~105℃의 온도에서 설정된 시간동안 건류하여서 된 것을 특징으로 하는 일산화탄소 저감형 하이브리드 착화탄의 제조방법.
7. 제3항에 있어서, 상기 제2단계에서 사용되는 분말 숯은 숯을 3~8메시로 분쇄하여 만들어지고, 상기 제3단계에서 혼합되는 혼합물은 물을 제외한 혼합물 총중량에 대하여 숯 원료 60~70중량%, 연소촉진제 20중량%, 및 잔여분의 점결제를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 일산화탄소 저감형 하이브리드 착화탄의 제조방법.
8. 제3항에 있어서, 상기 제2단계에서 사용되는 분말 숯은 숯을 8~20메시로 분쇄하여 만들어지고, 상기 제3단계에서 혼합되는 혼합물은 물을 제외한 혼합물 총중량에 대하여 숯 원료 70~80중량%, 연소촉진제 20중량%, 및 잔여분의 점결제를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 일산화탄소 저감형 하이브리드 착화탄의 제조방법.
9. 삭제
10. 제3항에 있어서, 상기 제2단계에서 상기 분말 숯과 글리세린의 함침은 90~105℃ 의 온도에서 설정된 시간동안 건류하여서 된 것을 특징으로 하는 일산화탄소 저감형 하이브리드 착화탄의 제조방법.
11. 제3항에 잇어서, 상기 제2단계에서 분말 숯과 글리세린의 함침시 분말 숯의 총중량에 대해 글리세린이 16 ~ 21중량%가 혼합되며, 50~70℃의 미온수가 글리세린의 중량에 대하여 5~10중량% 로 혼합되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 저감형 하이브리드 착화탄의 제조방법.
12. 제3항에 있어서, 상기 제3단계에서 숯 원료와 연소촉진제와 점결제 및 물을혼합하는 과정에서 150~250℃의 온도에서 열처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 저감형 하이브리드 착화탄의 제조방법.
13. 제3항에 있어서, 상기 제5단계에서는 성형된 착화탄의 수분이 총중량에 대해 5중량% 이하가 될 때까지 80~150℃의 온도에서 1차 열풍 건조를 수행한 다음, 착화제를 착화탄의 표면에 도포하고 10~15℃의 온도에서 냉풍 건조하는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 저감형 하이브리드 착화탄의 제조방법.
    

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